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    廢舊瀝青“磨煉”后可“成長”為電池電極材料
    2021-11-04 17:11
    來源:中國科學報
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      廢舊瀝青不僅會造成極大的資源浪費,占用大量土地資源,還會對環境產生嚴重污染。長沙理工大學賈傳坤教授、丁美教授團隊通過對廢舊瀝青進行高效分離、回收和資源化利用、高溫燒制等研究,制備出一種具有相互聯通的三維孔狀結構和高比表面積的介孔碳材料(MPC)。該材料用作鋰離子電池負極材料時,比容量比商業石墨提高了近200 mA h g-1,用于鈉離子和鉀離子的存儲時也展現出優異的電化學性能。

      日前,這一研究成果以“Spent asphalt-derived mesoporous carbon for high-performance Li/Na/K-ion storage”為題,在線發表于國際知名能源期刊《電源雜志》上。該文章第一作者為長沙理工大學材料科學與工程學院和交通運輸工程學院聯合培養的碩士研究生謝明明和朱曉波博士,賈傳坤教授、丁美教授為本文共同通訊作者。

      

      廢舊瀝青衍生的介孔碳的制備流程圖。 長沙理工大學供圖

      “比容量比商業石墨提高近200 mA h g-1,意味著介孔碳材料可將大規模儲能電池的容量提升52%,真正實現將廢舊瀝青變廢為寶?!辟Z傳坤表示,這個作為儲能電池負極材料的研究成果一旦實現產業化落地,不僅可以解決廢舊瀝青的環境污染問題,還可為研發低成本高性能的鋰、鈉、鉀離子電池負極材料提供新思路,為實現“碳中和”鑄就新的力量,具有重大的意義。

      瀝青作為石油蒸發的副產物,在道路材料中得到了廣泛應用。截至2020年末,我國公路總里程519.81萬公里,公路養護里程514.40萬公里,占公路總里程98.96%。數據顯示,我國每年大中修養護產生的廢舊瀝青混合料約2億噸。

      目前廢舊瀝青混合料的重復利用方法主要是將舊料與新料直接摻拌使用,但存在再生混合料的品質不高、舊料利用率低等技術難題。

      大力發展并高效利用太陽能、風能等新能源,是實現“碳達峰碳中和”的有效途徑之一。但這些新能源的利用存在不穩定、不連續等問題,須為其配備適合的儲能裝置。電化學儲能有不受地域限制、響應快、使用方便等優點,決定電化學儲能電池性能的重要因素之一就是電極材料。

      “現有的堿金屬離子電池負極碳基材料存在比容量較低、原料來源成本上漲等問題。大規模儲能用液流電池電極材料,也存在電導率低、比表面積低及催化活性差等問題?!辟Z傳坤說,研發價廉物美的新電極材料,對推動電化學儲能商業化進程尤為關鍵。廢舊瀝青是一種價格低廉、性能優異的碳前驅體,將廢舊瀝青應用到能源存儲中具有良好的發展前景。

      

      電池性能圖。 長沙理工大學供圖

      此外,該團隊“一種基于廢舊瀝青的離子電池負極材料的制備方法”和“一種液流電池用改性電極及其制備方法和液流電池”,在成果發布后3個月內均獲得了中國發明專利授權 ,兩項重大成果樣機已構建完成,目前正在洽談產業化。(來源:中國科學報 王昊昊)

      

      “一種基于廢舊瀝青的離子電池負極材料的制備方法”獲中國發明專利授權。 長沙理工大學供圖

      為此,研究團隊首先對廢舊瀝青進行高效分離提取,并作為電極材料的前驅體,加入氧化鐵模板后高溫下熱解,并通過鹽酸溶液洗滌,得到具有相互聯通的介孔碳材料。結果顯示,介孔碳材料用作鋰離子電池負極材料時,0.2 A g-1電流密度下可提供674.2 mA h g-1的首次可逆比容量,經過80個循環后,比容量仍可保持564.8 mA h g-1;用作鈉離子電池負極材料時,在2 A g-1電流密度下400個循環后比容量為146 mA h g-1;用作鉀離子電池負極材料時,在0.1 A g-1電流密度下經過100個循環后比容量為174 mA h g-1;另外,組裝成鋰離子全電池時,可以提供310 Wh kg-1的能量密度。


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